1Information Zerf¨alle

Zerf¨alle

Thomas Kuster 30. Mai 2007

1 Information

ˆ Unterrichtsziele

– Kernumwandlung kennenlernen (Element wird in ein anderes Ele- ment umgewandelt)

– Die gebildeten Kerne (Tochterkerne) im Periodensystem bestim- men k¨ onnen

– Kennenlernen der dabei ausgesendeten Strahlen – Verstehen wie diese Strahlen gemessen werden k¨ onnen – Theoretische Vorhersagen

ˆ Bekanntes wird notiert

ˆ Kernumwandlung kennenlernen

ˆ Nachweisen der Zerf¨ alle (Geiger-M¨ uller-Z¨ ahlrohr)

ˆ Weitere Kernumwandlungen

ˆ Neues Elementarteilchen

2 Repetition

2.0.1 Nuklid

A : Anzahl Nukleonen, Massenzahl

Z : Anzahl Protonen, Anzahl Elektronen, Ordnungszahl N : Anzahl Neutronen

A = Z + N Bezeichnung eines Nuklid

A

Z X = X-A

Beispiele

16

8 O Sauerstoff (stabil)

18

8 O Sauerstoff (stabil)

226

88 Ra Radium (radioaktiv)

238

92 U Uran (radioaktiv)

3 α-Zerfall

Beispiel

ˆ Americium ( ²⁴¹ ₉₅ Am) zerf¨ allt zu Neptunium ( ²³⁹ ₉₃ Np)

ˆ Radon ( ²²² ₈₆ Rn) zerf¨ allt zu Polonium ( ²¹⁸ ₈₄ Po) (Alexander Walterowitsch Litwinenko wurde mit Po-210

” vergiftet“)

3.1 Sch¨ uler erarbeiten selber

ˆ Wie ver¨ andert sich die Zahl der:

– Nukleonen

– Protonen

– Neutronen

ˆ Was bleibt ¨ ubrig?

ˆ Wie sieht es im Periodensystem aus?

L¨ osung (an Wandtafel schreiben) A → A − 4 Z → Z − 2 N → N − 2

A

Z X → ^A−4 _Z−2 Y + α

Der Kern wandelt sich in den Kern welcher zwei Positionen links im Peri- odensystem steht um.

Das entstehende Teilchen muss aus 2 Protonen und 2 Neutronen bestehen und wird α genannt:

α = ⁴ ₂ He zweifach positiv geladener Heliumkern

Die Energie (massen- und kinetische-Energie) des α-Teilchens ist fest vorge- geben:

E _α = E _Edukt − E _Produkt

3.2 Geschichtliches

Becquerel und das Ehepaar Curie erhielten f¨ ur ihre Arbeiten ¨ uber Strahlun- gen 1903 den Physiknobelpreis (Abbildung 1 und 2). Die Gef¨ ahrlichkeit der Strahlung war damals noch nicht bekannt, Marie starb an einer durch die Strahlenbelastung hervorgerufenen Mangel an Blutk¨ orperchen. Marie Curie ist die einzige Frau neben Maria Goeppert-Mayer die den Physiknobelpreis erhielt (jeweils nur ¹ ₄ des Preises).

4 Geiger-M¨ uller-Z¨ ahlrohr

Nachweis von α-Strahlen ist mit einem Geiger-M¨ uller-Z¨ ahlrohr m¨ oglich. Wird

vorgef¨ uhrt, am Schulpr¨ aperat und wenn m¨ oglich am Gl¨ uhstrumpf (enth¨ alt

Thoriumoxid).

Abbildung 1: Nobelpreis 1903 (1/2): Antoine Henri Becquerel (* 15. Dezem- ber 1852 in Paris; „ 25. August 1908 in Le Croisic):

” als Aner- kennung des außerordentlichen Verdienstes, den er sich durch die Entdeckung der spontanen Radioaktivit¨ at erworben hat.“

(a) Marie Curie (geb. Ma- ria Sk lodowska) * 7. No- vember 1867 in Warschau;

„ 4. Juli 1934 in Sancelle- moz

(b) Pierre Curie (* 15. Mai 1859 in Paris; „ 19. April 1906 in Paris)

Abbildung 2: Nobelpreis 1903 (je 1/4): Pierre und Marie Curie:

” als Anerken-

nung des außerordentlichen Verdienstes, das sie sich durch ihre

gemeinsamen Arbeiten ¨ uber die von H. Becquerel entdeckten

Strahlungsph¨ anomene erworben haben“

- +

U ≈ 500 V R ≈ 1 MΩ

Verst¨ arker

Isolation Anode

Glimmerfenster + + +

- - -

ionisierende Strahlung

Edelgas (p = 100 hPa) Metallzylinder, Kathode

Abbildung 3: Geiger-M¨ uller-Z¨ ahlrohr

Abstandsabh¨ angigkeit wird ebenfalls gezeigen.

Eine Schematische Darstellung des Geiger-M¨ uller-Z¨ ahler ist in Abbil- dung 3 dargestellt (auf Wandtafelzeichnen und Funktionsweise erkl¨ aren)

4.0.1 Funktionsweise

ˆ L¨ angs der Achse ist ein positiv geladener (≈ 500 V) d¨ unner Draht ge- spannt.

ˆ Zylinder ist mit einem Edelgas bei p = 100 hPa gef¨ ullt.

ˆ Stahlung ionisiert das Edelgas ⇒ frei Elektronen werden in das sta-

kre Feld um den Draht gezogen ⇒ Lawinenartige Stossionisation ⇒

Gasentladung

ˆ Entladung erfolgt ⇒ Strom fliesst ⇒ Signal wird verst¨ arkt und ein Knacksen ert¨ ont

5 β ⁻ -Zerfall

Auch andere Zerf¨ alle sind m¨ oglich. Ein Neutron kann sich in ein Proton umwandeln.

Wie ¨ andert sich A, Z, N und wie sieht es im Periodensystem aus? Um was muss es sich bei den β ⁻ -Strahlen handeln?

A → A Z → Z + 1 N → N − 1

A

Z X → ^A _Z+1 Y + β ⁻

Als Tochterkern entsteht der Kern der rechts von diesem Kern im Perioden- system steht.

Die Ladung muss erhalten bleiben ⇒ β ⁻ muss ein Elektron sein.

Beispiel ⁹⁰ ₃₈ Sr (Strontium) → ⁹⁰ ₃₉ Y (Yttrium) + β ⁻

5.1 Experiment

Die β ⁻ -Strahlen m¨ ussten sich wie Elektronen verhalten. Ablenkung mit ei- nem Magnetfeld muss also m¨ oglich sein.

Rechte-Hand-Regel

Daumen Stromfluss in Richung ⁹⁰ Sr-Pr¨ aparat (technische Stromrichung ist der Elektrischen Entgegengesetzt)

Zeigfinger Magnetfeld von Nord (rot) nach S¨ ud (gr¨ un) Mittelfinger Lorentzkraft

Teilchen werden durch das Magnetfeld abgelenkt. Mehr Impulse wenn der Strahler rechtsoben vom Z¨ ahler ist (S¨ udpol des Magneten gegen Zuschauer).

Keine Ablenkung wenn kein Magnetfeld vorhanden ist.

5.2 Neue Teilchen

Die Energie der β ⁻ -Teilchen (schnelle Elektronen) ist kontinuierlich. Dies wi- derspricht der Enegrie- und Impulserhaltung. Wolfgang Pauli (Abbildung 4)

¨ ausserte sich zuerst wie folgt ¨ uber dieses Ph¨ anomen:

Brief an Oskar Klein, Stockholm, vom 18. 2. 1929

Aber ich verstehe zu wenig von Experimentalphysik um diese Ansicht be- weisen zu k¨ onnen und so ist Bohr in der f¨ ur ihn angenehmen Lage, unter Ausn¨ utzung meiner allgemeinen Hilflosigkeit bei der Diskussion von Expe- rimenten sich selber und mir unter Berufung auf Cambridger Autoritaten (¨ ubrigens ohne Literaturangabe) da etwas beliebiges vormachen zu k¨ onnen.

Brief an Oskar Klein, Stockholm, 1929

Ich selbst bin ziemlich sicher (Heisenberg nicht so unbedingt), dass γ-Strahlen die Ursache des kontinuierlichen Spektrums der β-Strahlen sein m¨ ussen und dass Bohr mit seinen diesbez¨ uglichen Betrachtungen ¨ uber eine Verletzung des Energiesatzes auf vollkommen falscher F¨ ahrte ist. Auch glaube ich, dass die w¨ armemessenden Experimentatoren irgendwie dabei mogeln und die γ- Strahlen ihnen nur infolge ihrer Ungeschicklichkeit bisher entgangen sind.

5.2.1 Neutrino

Schlug dann aber 1930 die Existenz eines neuen Teilchens (Neutrino) vor (Abbildung 5), experimenteller Nachweis 1957:

A

Z X → ^A _Z+1 Y + β ⁻

|{z}

e

+¯ ν

6 β ⁺ -Zerfall

Ein Proton kann sich in ein Neutron umwandeln.

Wie ¨ andert sich A, Z , N und wie sieht es im Periodensystem aus? Um

Abbildung 4: Wolfgang Ernst Pauli (* 25. April 1900 in Wien; „ 15. Dezember

1958 in Z¨ urich)

Abbildung 5: Offener Brief an die Radioaktiven von Wolfgang Pauli. Das vorgeschlagene Neutron ist das heutige Neutrino. Abschrift (gek¨ urzt): Liebe radioaktive Damen und Herren, wie der ¨ Uber- bringer dieser Zeilen, den ich huldvollst anzuh¨ oren bitte, Ih- nen des n¨ aheren auseinandersetzen wird, bin ich ... auf einen verzweifelten Ausweg verfallen, um den

’ Wechselsatz‘ der Sta- tistik und den Energiesatz zu retten. N¨ amlich die M¨ oglich- keit, es k¨ onnten elektrisch neutrale Teilchen, die ich Neutro- nen nennen will, in dem Kern existieren...Das kontinuierliche β-Spektrum w¨ are dann verst¨ andlich unter der Annahme, dass beim β-Zerfall mit dem Elektron jeweils noch ein Neutron emit- tiert wird, derart, dass die Summe der Energien von Neutron und Elektron konstant ist. Ich traue mich vorl¨ aufig aber nicht, etwas ¨ uber diese Idee zu publizieren, und wende mich erst vertrauensvoll an Euch, liebe Radioaktive, mit der Frage, wie es um den experimentellen Nachweis eines solchen Neutrons st¨ ande, wenn dieses ein ebensolches oder etwa 10 mal gr¨ oße- res Durchdringungsverm¨ ogen besitzen w¨ urde wie ein γ-Strahl.

Ich gebe zu, dass mein Ausweg vielleicht von vornherein wenig wahrscheinlich erscheinen mag, ... Aber nur wer wagt, gewinnt ... Also, liebe Radioaktive, pr¨ ufet und richtet. – Leider kann ich nicht pers¨ onlich in T¨ ubingen erscheinen, da ich infolge eines in der Nacht vom 6. zum 7. Dez. in Z¨ urich stattfindenden Balles

9

was muss es sich bei den β ⁺ -Strahlen handeln?

A → A Z → Z − 1 N → N + 1

A

Z X → ^A _Z−1 Y + β ⁺

|{z}

=e

+ν

Als Tochterkern entsteht der Kern der links von diesem Kern im Perioden- system steht.

Die Ladung muss erhalten bleiben ⇒ β ⁻ muss ein Positron sein (ein positives Elektron).

Beispiel ⁴⁰ ₁₉ K (Kalium) → ⁴⁰ ₁₈ Ar (Argon) + e ⁺ + ν

A Unterrichtsablauf

Klasse 3. GYM, 22 Sch¨ uler Beginn 09:10

Ende 09:55

09:10-09:15 5’ Vorstellen und Information, Folie 09:15-09:16 1’ Bekanntes notieren, Wandtafel

09:16-09:17 1’ Beispiele f¨ ur Nuklide notieren, Wandtafel 09:17-09:19 2’ Zerfallsbeispiele notieren, Wandtafel

09:19-09:20 1’ Lernaufgabe: Wie ver¨ andert sich A, Z, N? Periodensystem?

Was bleibt ¨ ubrig? Folie Periodensystem auflegen

09:20-09:22 2’ L¨ osung notieren. Aufbau α-Teilchen erkl¨ aren. Energie α- Teilchen erkl¨ aren.

09:22-09:24 2’ Nobelpreis 1903, wussten nicht von der Gef¨ ahrlichkeit von Strahlung, einzige Frau neben Maria Goeppert-Mayer, Folie

09:24-09:26 2’ Nachweis: Geiger-M¨ uller-Z¨ ahlrohr vorf¨ uhren, an Schulpr¨ ape- rat und wenn m¨ oglich an Gl¨ uhstrumpf. Zuf¨ alligkeit erkl¨ aren.

09:26-09:31 5’ Geiger-M¨ uller-Z¨ ahlrohr an Wandtafel skizzieren und er- kl¨ aren

09:31-09:33 2’ β-Zerfall. Proton verwandelt sich in ein Neutron. Wieder-

um A, Z, N? Periodensystem? Was bleibt ¨ ubrig? L¨ osung an Wandtafel schrei-

ben.

09:33-09:36 3’ M¨ ussen sich wie Elektronen verhalten. Ergebnis des Ex- periment absch¨ atzen lassen! Experiment mit Magnet vorf¨ uhren. Auswerten, Rechte-Hand-Regel erkl¨ aren, Stromrichtung!

09:36-09:37 1’ Energie des β-Teilchens ist kontinuierlich. Mit Skizze er- kl¨ aren wieso das nicht so sein sollte!

09:37-09:38 1’ Pauli hatte damit ein Problem, kurz erkl¨ aren wer Pauli war, Folie Pauli

09:38-09:40 2’ Briefe von Pauli, Literaturangaben sind wichtig! Pauli war ein reiner Theoretiker, Folie Brief an Klein

09:40-09:42 2’ Brief von Pauli an die Radioaktiven, Folie Brief an die Radioaktiven

09:42-09:43 1’ Neutrino: Korrekte Reaktion aufschreiben, Wandtafel

09:43-09:45 2’ β ⁺ -Zerfall Proton wird zu Neutron, Was geschieht?